1917년 아인슈타인은 “복사에 대한 양자이론”(On the quantum theory of radiation)이라 는 논문을 발표하였다. 이 논문에서 그는 복사과정에서 자발방출(spontaneous emission) 이외 에 자극방출(stimulated emission)이라는 과정이 있을 것이라고 제안하였다. 그는 전자기파 복 사와 물질과의 상호작용에서 흡수, 자발방출, 자극방출이 일어나며 이 과정에서 발산되는 전자기 파 복사에너지를 플랑크(Max Planck, 1918년 노벨물리학상)의 열복사식과 비교함으로써 각각의 과정이 일어날 수 있는 확률계수를 구하였다. 이에 따르면 가시광선을 발산하는 광원이 상온에서 작동된다고 할 경우 모든 빛이 자발방출로만 발생되고, 가시광선을 발산하는 광원이 자발방출과 자극방출을 반씩 섞여서 일어나려면 광원의 온도는 34,000도가 넘어야 됨을 보여준다. 백열전구 의 경우 필라멘트의 온도가 2,000도 정도가 되는데 이 경우에도 자극방출로 발생하는 빛은 거의 없다고 할 수 있다.
그림 32. 아인슈타인과 자극방출 메카니즘
레이저(LASER)는 “자극방출에 의한 빛의 증폭”(Light Amplification of Stimulated Emission of Radiation)에서 영어의 첫 자를 딴 것이다. 즉, 레이저란 자극방출 과정을 통해 빛 을 증폭한 것이다. 그러나 아인슈타인의 이론에 의하면 빛은 자극방출로도 발생이 가능하나 그 확률은 보통의 조건에서는 너무 적으므로 실현시키기 어렵다는 것을 보여준다. 그럼 어떻게 하여 야 자극방출로 빛을 만들 수 있을까? 이 질문에 대답하기 전에 자발방출과 자극방출의 차이점은 무엇인지 알아보도록 하자. 두 경우 모두 여기된(excited) 상태에 있는 원자들이 기저상태 또는 낮은 에너지 상태로 떨어지면서 그 남는 에너지를 외부로 방출하는 과정에서 빛을 낸다. 우리가 알고 있는 모든 빛(전자기파)은 위와 같은 메커니즘을 통해 발생된다. 여기서 두 과정이 다른 점 은 자발방출에서는 원자들이 자발적으로(높은 에너지상태가 불안하므로) 낮은 에너지 상태로 떨 어지는데 반하여, 자극방출에서는 외부의 에너지(빛)에 의해 자극을 받아 낮은 에너지 상태로 떨 어진다는 것이다. 그리고 자극방출에 의해 빛이 발생될 때 두 개의 빛(광자, photon)이 나오고 (따라서 빛이 증폭), 두 빛은 모든 점에서 동일한 성질을 가진 쌍둥이 빛(twin photon)이라는 것 이다. 빛의 성질은 진동수(또는 파장)와 위상으로 결정되는데 쌍둥이 빛은 진동수와 위상이 같다.
진동수와 위상이 같으면 빛이 더해져서 세기가 증가되고 멀리 나아가도 퍼지지 않는다. 형광등에 서 나오는 빛들은 여러 진동수와 위상을 가진 빛의 합성이다. 따라서 형광등에서 발생하는 빛은 멀리 나아가지 못하고 퍼지게 된다. 형광등 안에는 소량의 수은과 불활성기체가 들어있다. 형광 등에서는 기체방전에 의해 빛이 발생된다. 수은과 불활성 기체가 들어있는 관의 양단의 전극에 고전압을 걸어주면 금속전극의 표면에 있던 전자가 전기에너지를 받아 핵의 구속을 깨고 밖으로 튀어나온다. 이 고속전자가 수은의 외곽전자를 때려 수은의 전자가 높은 에너지 상태로 올라가 고, 이어 원래 에너지 상태로 떨어지면서 자외선을 방출한다. 이 자외선이 형광등 관의 안쪽에 칠해져 있는 형광체를 때려 가시광선의 빛이 발생된다. 이 빛들은 다양한 진동수와 위상을 가진 다. 이에 따라 빛들이 서로 합쳐지면 세기가 줄어들어 멀리 퍼지지 못한다. 기체방전(네온사인 등)의 경우에도 특정의 기체들이 특정의 빛을 발생하는데 이 빛들도 눈으로 보기에는 단색으로 보이나 여러 파장의 빛들이 섞여 있다. 또한, 파장이 같더라도 위상이 서로 달라서 이들이 합쳐 지면 없어지므로 멀리 나아가지 못한다. 반면에 자극방출로 발생된 빛은 쌍둥이 빛으로 파장(진 동수)와 위상이 같으므로 합쳐지면 세기도 증가하고 퍼지지도 않아서 멀리 나아가는 성질을 가지 게 된다.
그러면 빛을 자극방출만으로 발생시키려면 어떻게 하여야 하나? 이를 위해서는 ‘항상’ 밀도반 전(population inversion) 상태를 만들면 된다. 밀도반전 상태란 높은 에너지 상태에 더 많은 원
너지 상태에 거의 모든 원자들이 존재한다. 높은 에너지 상태에는 열에너지에 의해 여기된 원자 들이 조금 존재할 뿐이다. 밀도반전이란 말 그대로 밀도가 반전되었다는 의미로 낮은 에너지 상 태보다 높은 에너지 상태에 더 많은 원자들이 존재하는 상태이다. 이렇게 높은 에너지 상태에 원 자들이 많으면 자발방출로 떨어지는 빛에 자극받아 자극방출이 일어날 확률이 커지게 된다. 그런 데 레이저를 위해서는 밀도반전 상태가 일시적으로 일어나면 안 되고 밀도반전 상태가 ‘항상’ 유 지되어야 한다. 반면에 기체방전에서는 자발방출이 일어나려면 ‘일시적으로’ 밀도반전 상태가 된 다. 이에 따라 높은 에너지 상태에 원자들이 존재하게 되고 자발방출이 일어난다. 자발방출에 의 해 낮은 에너지 상태로 떨어진 원자들은 외부에너지(전자와의 충돌)에 의해 다시 높은 에너지 상 태로 올라가서 자발방출 과정을 되풀이하면서 빛을 방출하게 된다.
‘항상’ 밀도반전을 위해서는 준안정준위(metastable state)가 필요하다. 준안정준위는 안정준 위는 아니지만 안정준위에 준하는 에너지준위(상태)를 말한다. 안정준위는 기저준위이다. 기저준 위는 원자들이 무한대의 시간동안 존재할 수 있다. 즉, 외부의 에너지가 주어지지 않으면 원자들 은 영원히 기저상태에 존재한다. 원자들이 특정 에너지 준위에 존재할 수 있는 생존시간 (lifetime)이 있다. 기저준위의 경우 생존시간은 무한대이다. 보통의 여기(excited)에너지준위의 생존시간은 10-8초로 아주 짧다. 반면에 준안정준위의 생존시간은 10-3초로서 보통의 여기에너지 준위의 생존시간보다 10만 배나 길다.
그림 33에 4준위 레이저의 활동과정을 보여주고 있다. 여기서 4준위란 레이저활동에 관련되 는 에너지준위가 4개라는 의미이다. 각 에너지 준위는 기저준위, 펌프준위, 위 레이저준위, 아래 레이저준위 등 4개이다. 이 중에서 위 레이저준위가 준안정준위이다. 레이저활동과정은 첫째 기 저준위에 존재하던 원자들을 펌프준위로 끌어올리는 과정이다. 이를 펌핑과정(pumping)이라고 부른다. 펌프준위는 보통의 여기에너지준위로서 원자들이 머무를 수 있는 시간은 아주 짧다. 곧 위 레이저준위로 떨어진다. 이 두 번째 과정을 비방사전이라고 부른다. 비방사전이란 빛을 내지 않고 원자들이 주위에 에너지를 주고 낮은 에너지상태로 떨어지는 것이다. 위 레이저준위에서는 원자들이 오랫동안 머무를 수 있다. 반면에 아래 레이저준위(보통의 에너지준위)로 떨어진 원자들 은 곧 기저상태로 붕괴하기 때문에 아래 레이저준위에 존재하는 원자의 수는 적다. 이에 따라 위 레이저준위에는 많은 원자들이 존재하고 아래 레이저준위에는 원자들이 별로 없기 때문에 두 준 위사이에는 ‘항상’ 밀도반전 상태가 유지된다. 이 상태에서 원자 하나가 자발방출하면서 내는 빛 에 의해 원자가 자극되어 자극방출로 빛을 방출하게 된다. 이와 같은 과정은 연쇄적으로 일어나 서 많은 원자들이 자극방출 과정을 통해 빛을 방출하게 된다.
레이저물질을 통과하면서 증폭되는 빛은 5%정도밖에 되지 않는다. 이에 따라 빛을 다시 레이
저 물질 속으로 재투입(feedback)할 필요가 있다. 이러한 역할을 하는 것이 공명기(resonator)이 다. 공명기는 2개의 거울로 구성되어 있다. 한쪽은 100% 반사거울이고 다른 쪽은 95~99%를 반 사하는 거울이다. 95~99% 반사거울을 통해 레이저 빛이 밖으로 나온다. 처음 레이저 물질을 통 과하면서 나오는 빛은 모두 자극방출로 발생하지 않고 일부는 자발방출로도 발생된다. 그러나 자 발방출에 의해 발생되는 대부분의 빛들은 외곽으로 빠져나가고 자극방출에 의해 발생되는 빛은 양쪽에 놓인 거울에 의해 계속적으로 레이저물질을 통과하면서 원자들을 자극하여 종래에는 모 두 자극방출에 의해 빛이 발생되는 것이다. 이에 따라 레이저를 구성하는 필수요소는 펌핑에너 지, 레이저물질, 공명기 등 3가지임을 알 수 있다.
그림 33. 4준위 레이저의 발생 메카니즘과 구성요소
1947년 램(Willis Lamb, 1913~2008, 1955년 노벨물리학상)과 레더포드(Robert Retherford, 1912~1981)는 수소에서 처음으로 자극방출에 의해 빛을 발생시켰고, 1952년에는 카스틀러 (Alfred Kastler, 1902~1984, 1966년 노벨물리학상)는 광펌핑에 성공하였다. 1953년 타운스 (Charles Townes, 1915~ , 1964 노벨물리학상)는 암모니아를 이용하여 자극방출과정으로 24GHz의 마이크로파를 증폭하는데 성공하였다. 타운즈가 메이저(maser, 자극방출을 통한 마이 크로파 증폭)를 성공하기 전(1952년)에 바소프 (Nikolay Basov, 1922~2001)와 프로크호로프 (Alexander Prokhorov, 1916~2002)는 메이저의 기본원리를 제안하였다. 그들은 기저상태와 여 기상태사이에 밀도반전을 만드는 대신에 두 개의 여기상태사이에 밀도반전을 만들어 자극방출로 빛을 발생시키는 방법을 제시하였다. 이 방법은 4준위 레이저활동 과정의 설명에서 보았다시피 현재 대부분의 레이저에 사용하는 방법이다. 이들은 이 업적으로 타운즈와 함께 1964년에 노벨 물리학상을 수상하였다. 타운스가 성공한 메이저는 방법상으로는 자극방출에 의한 증폭이었지만
그림 34. 타운스, 프로호로프, 바소프와 메이저의 구조
1957년에 굴드(Gordon Gould, 1920~2005)는 공명기를 외곽에 배치하는 구조(open resonator)를 제안하였다. 그 다음해에 프로코로프도 독립적인 연구를 통해 동일한 구조를 제안 하였다. 그러던 중 1960년에 마이멘(Theodore Maiman, 1927~2007)은 최초의 가시광선 레이저 를 만드는데 성공하였다. 그의 레이저는 루비를 이용한 고체레이저였다. 루비는 알루미나() 의 알루미늄의 자리에 크롬을 치환한 물질(보석)이다. 대략 3%의 알루미늄이 크롬으로 치환된다.
따라서 크롬이 레이저 활동을 하는 원자이다. 루비레이저는 3준위 레이저이다. 크롬은 청색과 녹 색의 흡수띠를 가진다. 가시광선(프레시 램프를 사용)을 쪼이면 크롬원자는 청색과 녹색의 에너 지를 흡수하여 펌프준위로 올라간다. 이렇게 펌프준위에 올라간 원자들은 준안정준위로 떨어지고 이 준안정준위와 기저준위사이에 밀도반전이 유지되면서 크롬원자는 레이저활동을 한다. 레이저 빛은 694nm의 붉은 색이다. 그리고 루비레이저는 펄스레이저이다. 펌핑에너지가 빛이므로 빛이 루비의 안쪽까지 침투하기 위해서는 루비의 직경은 커서는 안 된다. 마이맨은 그의 루비레이저에 서 2mm의 직경을 가진 루비막대를 사용하였다.
그림 35. 마이맨과 루비레이저의 구조
마이멘의 루비레이저가 개발된 후 여러 종류의 레이저들이 만들어졌다. 1960년에 자반(Ali Javan, 1926~ )등이 헬륨-네온 레이저를 만들었다. 이는 최초의 기체 레이저이고, 또한, 연속레 이저였다. 그리고 1962년 홀(Robert Hall, 1918~ )은 GaAs를 이용하여 최초의 반도체 레이저를 만들었다. 이는 파장이 850nm인 적외선 영역이었다. 같은 해에 홀로니악(Nick Holonyak, 1928~ )은 최초의 가시광선을 발생하는 반도체 레이저를 만들었다. 반도체 레이저는 기본적으로 pn접합인 다이오드이다. 즉, LED와 동일한 구조이다. LED와 다른 점은 밀도반전을 위해서 아주 강하게 도핑을 한 것이다. 그러나 홀로니악의 반도체 레이저는 열이 많이 발생하여 액체질소로 식혀야 했다. 이후 반도체 레이저에서 열이 발생하는 문제는 전극을 얇은 띠 모양으로 만들어 극 복하였다. 그전에는 전면을 전극으로 만들어서 전류밀도가 높아서 열이 발생하였다. 반면에 띠 모양의 전극을 사용하면 전류밀도가 줄어들어 발열을 크게 줄일 수 있다. 그리고 1970년 알페로 프(Zhores Alferov, 1930~ , 2000년 노벨물리학상)는 이종접합(hetero junction)을 이용하여 반 도체레이저를 만들었다(그림 36의 오른쪽 그림). 그전의 반도체 레이저는 동종접합(homo junction)으로서 p형과 n형 GaAs의 pn접합이었는데, 이들은 GaAlAs도 함께 사용하였다. 이종 접합인 외곽물질의 굴절률이 커서 전반사효과에 의해 레이저 빛이 효과적으로 안쪽에 갇혀서 레 이저활동이 용이한 구조이다.
이후 다양한 레이저들이 출현하였다. 레이저는 일상생활, 공업용, 의료용 등 다양한 분야에 응용되고 있다. 레이저 프린트, 레이저 포인트, 바코드 스캐너, 자동차 과속측정기, 물질가공 등 수많은 분야에서 이용되고 있다.
그림 36. 알페로프, 클뢰머와 이종접합반도체 레이저
레이저 개발의 약사
년도 이름 업적(최초의 레이저)
1917 Albert Einstein 자극방출에 관련된 논문 1928 Rudolf Ladenburg 자극방출 가능성 예측 1939 Valentin Fabrikant 밀도반전의 가능성 예측 1947 Willis Lamb, R.C. Retherford 자극방출의 실험적 확인 1950 Alfred Kastler
(1966년 노벨물리학상) 광펌핑
1953 Charles Townes
(1964년 노벨물리학상) MASER성공 1953
Nikolay Basov Aleksandr Prohoro (1964년 노벨물리학상)
MASER성공, 연속적 출력을 위한 제안(광펌핑)
1960 Theodore Maiman 루비레이저 (최초의 가시광선 레이저) 1961 Ali Javan, W. Bernnett,
D. Herriot He-Ne레이저(적외선) (최초의 연속레이저) 1962 Robert Hall GaAs 레이저(적외선, 냉동장치사용) 1962 Nick Holonyak LED (다이오드) 레이저 (가시광선)
1962 Alan White, Dane Ridger He-Ne 레이저 (최초의 가시광선 He-Ne 레이저) 1964 J.E. Geusic, H. Markos,
L.G. Van Uitet Nd:YAG 레이저 1964 Kumar Patel CO2 레이저
1964 William Bridges Argon 이온 레이저 1966 Peter Sorokin, John Lankard Dye 레이저
1970 Z. Alferov (2000년 노벨물리학상),
I. Hayashi, M. Panish 연속적 반도체 레이저 (hetero 접합) 1970 Nikolai Basov, Yu Popov 엑시머 레이저(Xe 기반)
1972 Charles Henry 양자우물 레이저
1980 Geoffrey Pert 그룹 X-선 레이저 활동 관측 1982 Peter Moulton 티타늄 사파이어 레이저 1984 Dannis Mathew 그룹 X-선 레이저
1994 Nikolai Ledentsov 양자점 레이저 1997 Wolfgang Ketterle 원자레이저
레이저를 특히 많이 사용하는 의료분야에서는 외과, 안과, 피부과 등 여러 분야에서 레이저를 절단용으로 사용하고 있다. 절단용 레이저로는 CO2레이저와 Nd:YAG레이저를 많이 이용하고 있 다. CO2레이저는 10.6㎛의 적외선으로 조직 속의 물 분자에 의해 잘 흡수되므로 나쁜 조직을 증 발시키는데 많이 사용된다. 수술용 칼 대신에 레이저를 사용할 경우의 장점은 높은 정확도로 원 하는 위치에 빛을 보낼 수 있고 초점을 맞추면 아주 좁은 영역만을 절단할 수 있으며 혈관을 마 비시키는 효과가 있어서 출혈을 현저히 줄일 수 있다. 레이저를 한 곳에서 다른 곳으로 보내는 데는 광섬유를 이용한다. 광섬유는 전반사현상을 이용하여 빛을 에너지의 손실 없이 한 위치에서 다른 위치로 전달할 수 있다.
Nd:YAG레이저는 광섬유를 사용할 수 있으나 원적외선인 CO2레이저는 광섬유의 사용이 불가 능하므로 금속튜브 안에 원하는 위치로 빛을 보낼 수 있게 거울을 부착한 팔모양의 기구를 사용 하여야 한다. 안과 분야에도 갈라진 망막의 접합에 아르곤 이온레이저를 사용한다. 아르곤 레이 저는 488㎚로 녹색계통이다. 이 빛은 적혈구에 의해 잘 흡수된다. 따라서 레이저 열에너지에 의 해 갈라진 망막을 다시 붙이는 데 사용할 수 있다. 피부과 분야에는 잘못된 피부조직을 태워 치 료가 가능하므로 특히 레이저를 많이 이용한다. 적색의 반점(port wine반점)은 넓은 영역에 퍼져 있는 경우가 많으므로 제거키 어렵다. 이 경우 아르곤 레이저를 균일하게 비추면 레이저가 그 영 역을 표백시켜 다른 피부조직과 동일하게 만들 수 있다. 이러한 효과는 문신을 지우는데도 사용 할 수 있다. 이와 같이 레이저는 의료용으로 아주 다양하게 사용되고 있고 그 사용영역도 점차 넓어지고 있다.